Теоретичні основи термодинаміки І біоенергетики лектор доц. Н. А. Василишин


НазваТеоретичні основи термодинаміки І біоенергетики лектор доц. Н. А. Василишин
Дата конвертації01.05.2013
Розмір445 b.
ТипПрезентации


ТЕОРЕТИЧНІ ОСНОВИ термодинаміки і БІОЕНЕРГЕТИКИ

  • Лектор доц. Н. А. Василишин


ТЕОРЕТИЧНІ ОСНОВИ термодинаміки і БІОЕНЕРГЕТИКИ

  • 1. Основні поняття термодинаміки

  • 2.Перший закон термодинаміки.

  • 3. Закони термохімії.

  • 4. Другий закон термодинаміки.

  • 5. Термодинамічні потенціали.

  • 6. Особливості живих систем як об*єктів термодинамічного дослідження.



Біоенергетика — сукупність процесів перетворення енергії, які проходять в організмі і забезпечують його життєдіяльність.

  • Біоенергетика — сукупність процесів перетворення енергії, які проходять в організмі і забезпечують його життєдіяльність.

  • Джерелом енергії для організмів, що живуть на Землі, є енергія сонячного світла, перетворена рослинами і бактеріями в процесі фотосинтезу в хімічну енергію органічних сполук.



  • В основі біоенергетики організмів лежать закони термодинаміки, однакові для живих і неживих систем.

  • Згідно з її законами живий організм є відкритою стаціонарною нерівноважною системою, що обмінюється з довкіллям речовиною і енергією.



Термодинамічна система

  • Термодинамічна система



Термодинаміка

  • Це галузь науки, що вивчає взаємні перетворення різних видів енергії, зв׳язані з переходом енергії в формі теплоти і роботи.



Об*єктом термодинамічного дослідження є термодинамічна система.

  • Об*єктом термодинамічного дослідження є термодинамічна система.

  • Системою називають сукупність об ׳єктів, відокремлених від навколишнього середовища реально існуючими або уявними поверхнями.

  • Системою може бути газ в посудині, розчин реагентів в колбі, кристал речовини.



За взаємодією з навколишнім середовищем термодинамічні системи бувають:

  • відкриті – обмінюються з навколишнім середовищем речовиною і енергією (наприклад, живі об*єкти)

  • закриті – обмінюються тільки енергією (наприклад, реакція в закритій колбі або колбі із зворотним холодильником)

  • ізольовані – не обмінюються ні речовиною, ні енергією і зберігають постійний об*єм.





Система називається гетерогенною, якщо в системі є реальні межі поділу, що відділяють одну від іншої частини системи, які відрізняються властивостями (насичений розчин з осадом),

  • Система називається гетерогенною, якщо в системі є реальні межі поділу, що відділяють одну від іншої частини системи, які відрізняються властивостями (насичений розчин з осадом),

  • Система називається гомогенною, якщо таких меж немає (розчин).

  • Гетерогенні системи мають не менше двох фаз.



Фаза – частина системи, яка однакова за складом і фізичними та хімічними властивостями у будь-якому макроскопічному об ׳ємі і обмежена від інших частин системи поверхнею розділу.

  • Фаза – частина системи, яка однакова за складом і фізичними та хімічними властивостями у будь-якому макроскопічному об ׳ємі і обмежена від інших частин системи поверхнею розділу.

  • Компонентами називают речовини, мінімально необхідні для створення даної системи (мінімум один).





Властивості і стан системи визначаються її фізико-хімічними параметрами.

  • Властивості і стан системи визначаються її фізико-хімічними параметрами.

  • Термодинамічні параметри, які можна

  • виміряти: температура, об'єм, тиск, концентрація.

  • Інтенсивні: температура, тиск, концентрація; екстенсивні: маса, об'єм

  • Якщо система змінює свої параметри, то в ній проходить термодинамічний процес.

  • Якщо термодинамічні параметри з часом самочинно не змінюються, то система перебуває в стані рівноваги



Термодинамічні процеси

  • Ізохорний - проходить при постійному об*ємі (V=const)

  • Ізобарний - проходить при постійному тиску (р=const)

  • Ізотермічний - проходить при постійній температурі (Т=const)

  • Адіабатичний - проходить без обміну тепла з навкол. середовищем, система не отримує тепла ззовні і не віддає його навкол. середовищу (Q = 0)



Процеси:

  • Термодинамічно оборотними називаються процеси, які можна реалізувати в прямому і зворотному напрямах, при цьому система повертається у вихідний стан через проміжні стани рівноваги, не залишаючи змін в навколишньому середовищі.

  • Необоротими називають процеси, при яких в результаті прямого и за ним зворотного переходу в системі або навкол. середовищі виникають зміни.



Розширення газу в пустоту – приклад необоротного процесу. Його неможливо провести в протилежному напрямі.



Внутрішня енергія U

  • - це повна енергія частинок (молекул, атомів, йонів, електронів тощо), які складають дану речовину (за винятком потенціальної і кінетичної енергії системи в цілому). Вона (повна енергія) складається з кінетичної і потенціальної енергії частинок.

  • Кінетична енергія - це енергія поступального, коливального і обертального руху частинок.

  • Потенціальна енергія - це енергія, яка обумовлена силами притягання і відштовхування, які діють між частинками.

  • Отже, U складається з енергії руху молекул, атомів в молекулах і енергії міжмолекулярного зв'язку.

  • U



Внутрішня енергія системи є функцією її стану і залежить від параметрів системи.

  • Внутрішня енергія системи є функцією її стану і залежить від параметрів системи.

  • внутрішня енергія залежить від природи тіла, його маси, хімічного складу і параметрів стану системи – тиску, об*єму, температури.

  • Для термодинамічного аналізу достатньо знати тільки приріст внутрішньої енергії

  • ΔU = U к - U п



Ентальпія (H)

  • Це енергія, якою володіє система при постійному тиску

  • H = U + pV

  • Ентальпія має значення в хімії, тому що передача тепла в хімічній реакції проходить при постійному тиску. Важливо знати зміну ентальпії, що не залежить від щляху процесу

  • ΔН = Н к - Н п

  • Передача енергії від системи до навколишнього середовища відбувається у вигляді роботи і теплоти



Рoбота (А)

  • РОБОТА є кількісною мірою впорядкованого руху або переміщення частинок в деякому напрямленому силовому полі. Наприклад, роботу А розширення системи від початковго об'єму V1 до кінцевого V2 під дією постійного тиску р (р = соnst) виражають співвідношенням:

  • А = р (V2 - V1).

  • Роботу, яку виконує система над навколишнім середовищем, вважають позитивною А>0 (+А), а роботу, яка виконується над системою – негативною А<0 (-А).



ТЕПЛОТА Q

  • є кількісною мірою невпорядкованого, хаотичного руху частинок, які утворюють дані тіла або систему (молекул, атомів, електронів і т. д.). При цьому в процесі обміну енергією у формі теплоти частина енергії тіла, яке володіє більш високою температурою, передається тілам з більш низькою температурою аж до вирівнювання температур.



Перший закон термодинаміки

  • Енергія не зникає безслідно і не виникає ні з чого, а тільки переходить з одного виду в інший в еквівалентній кількості.

  • 2. В ізольованній системі загальний запас енергії всіх видов зберігається незмінним.(ΣЕ=сonst)

  • 3. Вічний двигун першого роду неможливий, тобто періодично діюча машина, що дає роботу, не витрачаючи енергії, неможлива.

  • Q=ΔU+A



Обмін енергією між термодинамічною системою і навколишніми тілами в результаті теплообміну і виконуваної роботи.



Адіабатичні процеси

  • Це процеси, які протікають без теплообміну з навколишніми тілами. Посудини з теплонепроникними стінками називаються адіабатичними оболонками, а процеси розширення або стиснення газу в таких посудинах називаються адіабатичними.



Адіабатичний процес Q = 0; тому перщий закон термодинаміки має вигляд A = –ΔU



Перший закон термодинаміки для ізотермічного процесу

  • В ізотермічному процесі температура газу не змінюється, тому, не змінюється і внутрішня енергія газу, ΔU = 0.

  • Перший закон термодинаміки для ізотермічного процесу

  • Q = A.



Перший закон термодинаміки

  • Перший закон термодинаміки для ізохорного процесу

  • А = 0

  • Q =  ΔU .



Перший закон термодинаміки

  • Перший закон термодинаміки для ізобарного процесу р=const

  • А = Р ΔV

  • Q =  Н 2 - Н 1 = ΔН



Екзотермічні процеси - це процеси з виділенням теплоти.

  • Екзотермічні процеси - це процеси з виділенням теплоти.

  • Ендотермічні процеси - теплота поглинається.

  • Тепловим ефектом хімічної реакції називають максимальну кількість теплоти, що виділяється або поглинається при постійному об*ємі або тиску.

  • Тепловий ефект хімічної реакції при стандартних умовах (ΔНr0) - це тепловий ефект виміряний при температурі 298,15 К і тиску 101,3 кПа.

  • Тепловий ефект при стандартних умовах розраховують за стандартними теплотами утворення і згоряння.



Термохімічні рівняння

  • Термохімічними рівняннями називають таку форму запису реакцій, в яких одночасно з хімічними символами зазначений тепловий ефект реакцій, наприклад:

  • Н2(г) + 1/2О2(г) = Н2О(р), ΔН2980 = -286,0 кДж

  • Н2(г) + 1/2О2(г) = Н2О(р)+286,0 кДж

  • C(т) + H2O(г) = CO(г) + H2(г); ΔНr0 =132,0 кДж

  • В термохімічних рівняннях вказують агрегатний стан вихідних речовин і продуктів реакції. Стехіометричні коефіцієнти в термохімічних рівняннях можут бути дробовими.



Стандартна теплота (ентальпія) утворення – це тепловой ефект процесу утворенняя 1 моля сполуки з простих речовин при умові, що всі компоненти системи знаходяться в стандартних умовах.

  • Стандартна теплота (ентальпія) утворення – це тепловой ефект процесу утворенняя 1 моля сполуки з простих речовин при умові, що всі компоненти системи знаходяться в стандартних умовах.

  • Стандартна теплота (ентальпія) згоряння - це теплота згоряння в атмосфері кисню (окиснення) 1 моля речовини при стандартних умовах (298,15 К; 101,3 кПа) до оксидів.

  • Стандартна теплота розчинення – це теплота, що виділяється або поглинається при розчиненні 1 моля речовини в дуже великому об*ємі розчинника.

  • Стандартна теплота реакції нейтралізації – це тепловий ефект нейтралізації одного еквівалента кислоти (основи) відповідною кількістю основи (кислоти).



Закон Гесса

  • Тепловий ефект хімічної реакції при постійному об'ємі або постійному тиску не залежить від шляху (механізму) її перебігу, а тільки визначається початковим і кінцевим станом системи.



Процес перетворення вихідних речовин в продукти реакції різними шляхами: 1 реакція в одну стадію, тепловий ефект рівний ΔН1 2 реакції, тепловий ефект рівний ΔН2 и ΔН3 3 реакції, тепловий ефект яких відповідно ΔН4, ΔН5 и ΔН6 Закон Гесса твердить, що ΔН1 = ΔН2 + ΔН3 = ΔН4 +ΔН5 + ΔН6



Перший наслідок:

  • Тепловий ефект розкладу речовини дорівнює тепловому ефекту її утворення за абсолютною величиною і протилежний йому за знаком.

  • При розкладі 1 моля НСl на прості речовини Н2 и Сl2 витрачається 92,3 кдж теплоти.

  • HCl(г) = 1/2 H2(г) + 1/2Cl2(г); ΔН=92,3кДж

  • Така ж кількість теплоти виділяється при утворенні 1 моля НСl з простих речовин

  • 1/2 H2(г) + 1/2Cl2(г) = HCl(г); ΔН= - 92,3кДж



Другий наслідок

  • Тепловий ефект реакції рівний різниці алгебраїчних сум ентальпій утворення продуктів реакції і вихідних речовин.

  • ΔНr = Σ ΔНf0(прод) - Σ ΔНf0(вих)

  • f – formation - утворення

  • Наприклад

  • HCl(г)+ NH3(г) = NH4Cl(г)

  • ΔНr = ΔНf0(NH4Cl) – (ΔНf0(HCl)+ ΔНf0(NH3)



Третій наслідок

  • Тепловий ефект реакції рівний різниці алгебраїчних сум ентальпій згоряння вихідних речовин і продуктів реакції.

  • ΔНr = Σ ΔНс0(вих) - Σ ΔНс0(прод)

  • с – сombustion - згоряння

  • Наприклад:

  • СН4(г)+СО2(г) = 2СО(г) + 2Н2(г)

  • ΔНr = ΔНс0(СН4) – (2ΔНс0(СО) + 2ΔНс0(Н2))



Перший закон термодинаміки для живих організмів

  • Всі види робіт в живому організмі здійснюються за рахунок еквівалентної кількості енергії, що виділяється при окисненні поживних речовин.

  • Вуглеводи - 19,8 кДж/г

  • Білки - 16,8 кДж/г

  • Жири -37,8 кДж/г

  • Енергія нагромаджується в макроергічних зв”язках фосфоровмісних речовин організму (АТФ)



  • Трансформація енергії проходить на молекулярному рівні з допомогою численних ферментів, локалізованих в спеціалізованих структурах і перш за все в біологічних мембранах.



Калориметр

  • Виміряти калорійність їжі дозволяє спеціальний прилад калориметр (від латинського — тепло і метр). Це прилад для вимірювання кількості теплоти, що виділяється або поглинається при різних фізичних, хімічних або біологічних процесах. Щоб виміряти калорійність їжі, її необхідно спочатку позбавити від вологи (висушити), потім зразок помістити в «калориметричну бомбу».

  • .



Калориметрична бомба



Калориметр

  • Це товстостінний стальний циліндр, який знаходиться у воді. В цьому герметичному посуді спалюють їжу, тепло передається воді. Горяща їжа нагріває воду.

  • Одна калорія — це енергія, необхідна, щоб нагріти 1 грам води на 1 градус Цельсія.



Схема калориметра: 1 - зовнішня посудина; 2 - термометр; 3 - калориметрична склянка; 4 - мішалка; 5 - вода; 6 - пробірка з речовиною, закрита корком



Другий закон термодинаміки

  • Теплота не може сама по собі переходити віж холодного тіла до гарячого, не залишаючи змін в навколишньому середовищі.

  • Різні види енергії прагнуть перетворитися в теплоту, а теплота в свою чергу, прагне розсіятися, тобто теплоту не можна повністю перетворити в роботу



Ентропія S

  • Ентропія є мірою розсіяної (знеціненої) енергії.

  • Чим більша ентропія, тим менша частина енергії може перетворитися в роботу, тобто ентропія є мірою незворотності процесу.

  • ΔQ

  • ΔS = ------

  • T

  • зміна ентропії ΔS визначається тільки початковим і кінцевим станами системи:

  • ΔS = Sк - Sп



Термодинамічні потенціали – критерії самочинного перебігу процесів

  • Вільна енергія Гібса (G) - (ізобарно-изотермічний потенціал):

  • G = H – TS; ΔG = ΔH – TΔS

  • Енергія Гельмгольца (F) - (ізохорно-ізотермічний потенціал) :

  • F = U – TS; ΔF = ΔU – TΔS

  • Якщо ΔG <0 і ΔF <0, то процес може іти самочинно



Элементи електрохімії. Типи електродів та їх застосування.

  • Электродні потенціали.

  • Гальванічний елемент Якобі-Даніеля

  • Рівняння Нернста

  • Типи електродів

  • Окисно-відновні системи

  • Потенціометричне вимірювання рН.



Схема виникнення потенціалу на зануреному у воду металі.



Виникнення потенціалів

  • При зануренні металу у воду відбувається відрив іонів від кристалічної гратки під впливом полярних молекул розчинника. В результаті переходу катіонів металу в розчин метал набуває деякого негативного заряду за рахунок електронів, що на ньому залишилися. Прилеглий до металу шар води заряджається позитивно за рахунок катіонів металу. На межі розділення метал - вода утворюється подвійний електричний шар, що і називається електродним потенціалом.



Виникнення потенціалів

  • При зануренні металу в розчин його солі можливий процес переходу катіонів металу в розчин - тоді метал заряджається негативно.Також можливий перехід катіонів з розчину на метал - тоді метал заряджається позитивно.

  • Таким чином, кожному металу, зануреному у розчин своєї солі, відповідає той чи інший потенціал. Потенціали, що виникають на металах при зануренні у розчини власних солей, називаються електродними потенціалами. Такі металеві пластинки або дротини називаються електродами.



Электрорушійна сила

  • При наявності системи двох електродів, що знаходяться відповідно у розчинах своїх солей, між ними виникає електрорушійна сила, що дорівнює різниці двох електродних потенціалів: Е = е+ - е-



Рівняння Нернста:

  • 2,303 ·R·T

  • e = e0 + ————— lg α (Men+)

  • n F

  • де е – електродний потенціал, В

  • e0 - нормальний (стандартний электродний потенціал), В

  • R – универсальна газова постійна 8,31 Дж/моль·К

  • Т – абсолютна температура, К

  • n – число електронів,які віддає атом металлу, перетворюючись в іон

  • F – число Фарадея (96500 Кл/моль)

  • α Men+- активність або концентрація іонів металу в розчині



Нормальні потенціали металів при 25 С

  • Электродна реакція E, В

  • Li+ + e–  Li –3,045

  • Mg2+ + 2e–  Mg –2,356

  • Al3+ + 3e–  Al –1,67

  • Zn2+ + 2e–  Zn –0,7626

  • Cr3+ + e–  Cr2+ –0,424

  • 2H+ + 2e–  H2 0,000

  • Cu2+ + 2e–  Cu 0,340

  • Fe3+ + e–  Fe2+ 0,771

  • O2 + 4H+ + 4e–  2H2O 1,229

  • Cl2 + 2e–  2Cl– 1,3583

  • F2 + 2e–  2F– 2,87



Zn + Cu2+ = Zn2+ + Cu ; Q = 230 кДж



Стандартний водневий електрод



Стандартний водневий електрод

  • Pt (H2)H+ (pH2 = 101,3 кПа, αН+ = 1)

  • Н+ + е = ½Н2.

  • Е Н+/ Н = е0 + 0,059 lg αН+



Типові електроди 1-го роду:

  • срібло в розчині нітрату срібла

  • Ag/Ag+;

  • мідь в розчині сульфату купруму

  • Сu/Cu2+.

  • Для срібного електрода електродний потенціал записують так:

  • еAg+/Ag = e0Ag+/Ag + 0,059 lgαAg+



Електроди II-го роду

  • До електродів 2-го рода належить хлорсрібний електрод. Він складається з срібної дротини або пластинки з нанесеним шаром хлориду аргентуму, зануреної в розчин КСl:

  • Ag, AgCl / KCl

  • На электроді встанавлюється рівновага :

  • AgCl + e = Ag + Cl-

  • Потенціал хлорсрібного електрода залежить від активності (концентрації) хлорид-ионів в розчині:

  • e Ag, AgCl = e0 – 0,059 lgαcl-



Окисно-відновні електроди

  • До окисно-відновних електродів належать півелементи, шо складаються з інертного металу (платина, золото), що знаходиться в розчині, що містить окиснену і відновлену форму одного і того ж елемента. Наприклад:

  • Pt// Fe3+/Fe2+

  • Інертний метал в цьому електроді не бере участі в електродній реакції, а тільки є переносником електронів.



Окисно-відновні системи

  • Розчин, що містить одночасно окиснену і відновлену форму речовини, утворює окисно-відновну систему (редокс-систему).

  • Наприклад, система, шо містить солі феруму(ІІ) FeSO4 і феруму(ІІІ) і Fe2(SO4 )3

  • Fe3+ + e = Fe2+

  • Fe3+ - окиснена форма, Fe2+ - відновлена форма



Окисно-відновні системи

  • Потенціал окисно-відновного электрода розраховують за рівнянням Нернста-Петерса:

  • RT аFe3+

  • e Fe3+/Fe2+ = e0 + —— lg ———

  • nF аFe2+



Мембранні електроди

  • Найпоширенішим мембранним електродом є скляний. Він складається з скляної трубки, яка закінчується кулькою з спеціального електродного скла. Всередині є буферний розчин і для відводу струму поміщають хлорсрібний електрод. Між склом і розчином виникає потенціал, величина якого залежить від рН. Для вимірювання рН складають гальванічне коло з скляного електрода і електрода порівняння (хлорсрібного):

  • Скляні електроди придатні для вимірювания рН в біологічних середовищах.



Дякую за увагу!



Схожі:

Теоретичні основи термодинаміки І біоенергетики лектор доц. Н. А. Василишин iconОснови титриметричного аналізу Лектор доц. Н. А. Василишин
Теоретичні основи титриметричного (об׳ємного) аналізу. Закон еквівалентів Основні поняття титриметрії
Теоретичні основи термодинаміки І біоенергетики лектор доц. Н. А. Василишин iconВисокомолекулярні сполуки Лектор доц. Н. А. Василишин
До високомолекулярних сполук (вмс) відносять сполуки з молекулярною масою 10000-1000000 І вище
Теоретичні основи термодинаміки І біоенергетики лектор доц. Н. А. Василишин iconТеоретичні основи рідинної хроматографії Теоретичні основи рідинної хроматографії
Рідинна хроматографія це метод розділення і аналізу складних сумішей, в якому рухомою фазою є рідина
Теоретичні основи термодинаміки І біоенергетики лектор доц. Н. А. Василишин iconЛектор: Лектор: доц. Красінько Вікторія Олегівна

Теоретичні основи термодинаміки І біоенергетики лектор доц. Н. А. Василишин iconЗакон термодинаміки: Перший закон термодинаміки: теплота, що підводиться до системи, йде на зміну її внутрішньої енергії та на роботу, яку здійснює система над зовнішніми тілами
Другий закон термодинаміки: в ізольованій системі неможливий перехід теплоти від менш нагрітого тіла до більш нагрітого
Теоретичні основи термодинаміки І біоенергетики лектор доц. Н. А. Василишин iconПоняття мед сестринського процесу. Функції сестринства. Лектор доц. Н. Я. Верещагіна Визначення деяких термінів
Поняття мед сестринського процесу. Функції сестринства. Лектор доц. Н. Я. Верещагіна
Теоретичні основи термодинаміки І біоенергетики лектор доц. Н. А. Василишин iconАнатомія дихальної системи Лектор: доц. Киричок О. М

Теоретичні основи термодинаміки І біоенергетики лектор доц. Н. А. Василишин iconЛекція 1 Література
Теоретичні основи моделювання та аналізу систем захисту інформації. Національний університет дпс україни. 2010
Теоретичні основи термодинаміки І біоенергетики лектор доц. Н. А. Василишин iconЕконометричні методи в фінансовому менеджменті
Теоретичні основи моделювання за допомогою arima моделей. Стаціонарність та нестаціонарність часових рядів
Теоретичні основи термодинаміки І біоенергетики лектор доц. Н. А. Василишин iconЛекція №1 Хімічна термодинаміка. Хімічна кінетика І каталіз план основні поняття термодинаміки. Термохімія. Хімічна рівновага
Велике практичне значення термодинаміки в тому, що вона дає змогу розрахувати теплові ефекти реакції, наперед вказати можливість...

Додайте кнопку на своєму сайті:
dok.znaimo.com.ua


База даних захищена авторським правом ©dok.znaimo.com.ua 2013
звернутися до адміністрації
dok.znaimo.com.ua
Головна сторінка